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          固態(tài)照明中白光LED的發(fā)展和應(yīng)用

          作者: 時(shí)間:2011-12-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          : 0px">上述p-n型半導(dǎo)體中載流器復(fù)合產(chǎn)生的光通常均為單色光,例如當(dāng)阻擋層電勢(shì)差為2.63V時(shí)則產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為470nm的藍(lán)光(見Fig.2),而在阻擋層電勢(shì)差為2V時(shí)則產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為617nm的紅光。


          Fig.2

          半導(dǎo)體發(fā)光二極管通常均為單色(彩色)發(fā)光器件,這種發(fā)光器件光效高,顏色單純,早以廣泛用于各類場(chǎng)合的顯示,如各類指示燈,交通信號(hào)燈,大屏幕彩色顯示屏,甚至大屏幕彩色電視等。

          彩色雖已成功用于各種顯示和指示器件,然而對(duì)于照明則是無能為力的,因?yàn)檎彰鞴庠幢仨氂泻芎玫娘@色性,所以照明用必須發(fā)。

          一種方案是發(fā)明一種多能級(jí)載流子復(fù)合的復(fù)合型雜質(zhì)半導(dǎo)體材料,使之直接產(chǎn)生多色光,從而發(fā)出,然而此種方案迄今未見有成功的報(bào)導(dǎo)。

          另一種方案是將發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種光色的發(fā)光二極管的芯片做在同一個(gè)管芯中,使之混光成白色,但是這樣制成的白光發(fā)光二極管的光色較差,而且所發(fā)光束的某些部分仍然呈現(xiàn)原來色彩,因此這種方案已被放棄了。
          目前采用的方案是在藍(lán)光或近紫外LED芯片上涂敷全色或黃色熒光粉,從而得到白光LED,熒光粉的質(zhì)量、涂層厚度稍有影響均將嚴(yán)重影響其顯色指數(shù)、色溫、光效和光衰。

          Fig.3 a、b、c、d顯示了發(fā)射峰為470nm的藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉后的發(fā)射光譜,涂敷熒光粉是吸收峰為450nm,發(fā)射峰為550nm的黃色 熒光粉,涂敷厚度不同時(shí)熒光粉層對(duì)藍(lán)光的吸收強(qiáng)度以及發(fā)射熒光的強(qiáng)度均不同,所呈現(xiàn)的光譜和光色也不相同,其情況示如下表:


          Fig.3a

          Fig.3b


          Fig.3c


          Fig.3d

           該試驗(yàn)中涂層厚度測(cè)量不準(zhǔn)確,所以未于標(biāo)出。輻射光通量測(cè)試方法亦不精確,所以只給出相對(duì)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明熒光粉涂層厚度、處理工藝對(duì)白光LED的發(fā)射光譜、光通量、色溫和顯色指數(shù)的影響巨大,所以制作工藝必須十分嚴(yán)格,否則其一致性必定降低。

          白光LED問世近10年來在工藝、材料等方面確實(shí)取得了很大進(jìn)展,其單粒功率、光效均已取得巨大突破,最突出代表之一是超薄型GaN LED。當(dāng)前白光LED取得的主要進(jìn)展為:

          1、 改進(jìn)半導(dǎo)體材料純度和摻雜工藝,以提高載流子密度和內(nèi)量子效率。

          2、 采用超薄結(jié)構(gòu),其活性層僅為數(shù)納米,從而減少內(nèi)量子吸收,加大了量子輸出。

          3、 在p-n結(jié)底部涂以高反射率膜層使內(nèi)向輻射的光量子反射以加大量子輸出。

          4、 輸出窗內(nèi)表面粗糙化,從而減少向外輻射的光量子在輸出窗內(nèi)表面處反射折回到LED中的幾率。

          5、 采用高熱導(dǎo)絕緣陶瓷作基底材料,和大輻射面散熱器以改善 p-n結(jié)散熱條件,降低結(jié)溫度。

          6、 開發(fā)近紫外LED及高效、耐高溫三基色全色熒光粉以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、光轉(zhuǎn)換效率、顯色性并延長(zhǎng)壽命。

          7、 尋找耐高溫半導(dǎo)體材料、使LED大功率化。

          在采取諸多有效措施后目前白光LED的實(shí)驗(yàn)室水平的光效已達(dá)130~150lm/w,單粒功率可達(dá)10W。

          Ⅳ LED的發(fā)光效率、熱耗和改進(jìn)

          白光LED的成就是杰出的,使之可能成為一種未來的高光效、長(zhǎng)壽命、低成本照明器件,并在照明領(lǐng)域占據(jù)重要地位,甚至可能成為最普及的通用光源,但是在目前還有諸多關(guān)鍵問題需要解決,其最突出的一個(gè)基本問題就是散熱。


          LED是利用載流子復(fù)合發(fā)光的。在電子與空穴復(fù)合時(shí)其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為光量子,這些光量子直接向外輻射時(shí)可能成為輸 出光,而向內(nèi)或向四側(cè)輻射的部分則將被吸收轉(zhuǎn)化為熱能,即使向外輻射的光子也將有部分為輸出窗吸收或?yàn)槠鋬?nèi)表面反射后再吸收,最后成為內(nèi)部熱耗。所以 LED的光效不僅決定于其內(nèi)光子效率(即其輸入能量轉(zhuǎn)化為光子能量的效率),而且與光子提取率即外光子效率直接相關(guān)。

          白光LED 不僅存在如上所述的載流子復(fù)合的光量子效率和光量子提取率的問題,而且有輸出光子與熒光粉作用轉(zhuǎn)換為新光子的內(nèi)、外量子效率問題,如何選擇LED的發(fā)射波 長(zhǎng),尋找最佳匹配的高效熒光粉以取得最大光量子轉(zhuǎn)換效率和光量子輸出率,從而保證高的發(fā)光效率也是白光LED的關(guān)鍵問題,這一問題仍有大量工作需要完成而 這也正減緩LED發(fā)熱問題的關(guān)鍵。

          如所周知傳統(tǒng)光源如白熾燈、放電燈均靠將發(fā)光體加熱到一定溫度后才能產(chǎn)生輻射,高溫是發(fā)光的前 提條件,例如白熾燈需將鎢絲加熱到2800℃或更高(鹵素?zé)?



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